中国科学院老科学技术工作者协会

简  报

﹝2023﹞ 第一六一期（总第932期）

中国科学院老科协办公室      2023年11月2日

中国科学院老科协高能所分会举办

“聚焦国际高能物理的前沿-江门中微子实验”学术沙龙

2023年9月27日，中国老科协和中国科学院老科协主办、中国科学院老科协高能所分会举办了主题为“聚焦国际高能物理的前沿-江门中微子实验”学术沙龙。高能所长期从事于粒子物理理论和实验、宇宙线实验、“慧眼”项目、中微子、暗物质研究等方面的部分老科学家，中国科学院老科协孙建国理事长，赵震声副理事长，老科协国科大分会刘渝珍教授，电工所分会理事长吴石增研究员，电子所分会理事长蔡安生研究员，以及老科协高能所分会部分老专家等，共22位老专家参会。沙龙由高能所分会理事长张闯研究员主持。沙龙邀请中国科学院高能物理研究所所长王贻芳作主旨报告。

王贻芳院士是中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士，发展中国家科学院院士，曾被授予泰国苏南纳尔大学、德国波鸿大学博士、意大利共和国指挥官勋章，曾荣获周光召基础科学奖、河南和易科技进步奖，海洋实验物理奖，亚洲奖，基础物理学突破奖等。他领导完成了北京正负电子对撞机和北京谱仪BES3的设计研制、运行和前期物理研究，提出了中微子实验方案，并率领团队完成了实验的设计、研制和物理研究，发现了一种新的中微子振荡模式，入选美国《科学》杂志2012年全球十大科学突破，获得2016年度国家自然科学一等奖，提出并领导了江门中微子实验，为其设计研制了国产的20英寸新型光电倍增管，提出并领导了环形正负电子对撞机CEPC的设计和关键技术的预言。

中国科学院高能物理所所长 王贻芳院士

报告首先介绍了中微子粒子的一般属性、种类，与物质的相互作用，以及在地球、天体和宇宙中的存在情况等。整个宇宙空间充满了中微子，在物质实验的12种最基本的粒子中，占了差不多1/4。中微子的存在对宇宙结构、星系团，银河系，地球，太阳，以及整个宇宙的分布都起到了非常重要的作用。 

报告阐述了测量中微子质量的方法和重要性，在宇宙中每立方厘米大约有300个中微子，哪怕它有一点点质量，它对宇宙的演化就起了非常重要的作用。但它的质量非常小，目前只有用探测中微子振荡方法来研究中微子质量。中微子在飞行过程中从电子中微子变成缪子中微子称为中微子振荡，这个现象与它的质量相关。如果中微子有质量，几种中微子有质量差，那么就有相关的振荡频率。通过研究这些关系我们至少可测出中微子是不是有质量，虽然测不出中微子的绝对质量，但可以测出他们的质量差。我们知道有三种中微子，如果用一个3×3的矩阵描述他们的振荡状态，这样一个3×3的矩阵乘出来以后，可以把它分解成为大气中微子振荡矩阵、太阳中微子振荡矩阵、Majorana相角矩阵，和CP相角矩阵，这样就可以通过测量这些矩阵参数来验证中微子的振荡和研究中微子质量问题。1998年和2001年太阳中微子和大气中微子振荡都被发现了，按照中微子振荡的描述方式，那么它还存在另外一个振荡模式，我们用来表达，这个参数大概是多少？这就变成中微子研究当中很重要的问题。

在θ12和θ23都测出来后，就是知道了2和3之间的质量差和1和2之间的质量差，根据质量差与振荡频率的关系我们知道了这个振荡几率的最大值，于是找到了测量θ13振荡值的最佳位置，从而设计了我们的探测器和放置位置，即大约在距反应堆1.8公里地方放探测器，这就产生了我们原来大亚湾实验的设想。为了提高它的精度，最终我们设计了一个远近点相互抵消的方案，同时在每一个点用多个模块降低它的系统误差，通过这种方法使我们的测量精度比Palo Verde和Chooz相比提高了大约一个量级，在2012年测到了sin22θ13的数值，确证了中微子的另一个振荡模式。中微子从反应堆飞到探测器（1.8公里距离）过程中有大约6%的中微子消失了，即6%中微子发生了振荡，在飞行过程中电子反中微子一半变成了缪中微子，一半变成了陶中微子，这个就是我们大亚湾实验的结果。

在2012年得到上述结果的基础上启动了江门中微子实验。在θ12振荡极大值处，即大约距反应堆60公里地方设置探测器，我们延续大亚湾技术的专长选择这个实验，一个是反应堆中微子，一个是由35.4米直径有机玻璃球，内部充满2万吨液体闪烁体，表面布满5万支电倍增管，900吨低放射性本底不锈钢材料支撑的探测器。

江门中微子实验目标是测量中微子的质量顺序。因为我们知道12很小，23比较大，但是2、3之间的符号我们不知道，就是说我们不知道三种中微子的质量顺序。而这个参数是整个粒子物理，包括超出标准模型的新的物理模型，宇宙学、天体当中很多模型有关的参数，它的确立对粒子物理发展，包括质量物质、反物质都有非常重要的作用。

报告详细论述了江门中微子实验的需要达到的主要物理目标、实验的独特性能和各种特色，以及建设过程中的各种挑战：如实验的选址情况及其位置精准度和探测器液体闪烁体重量与中微子通量的主要关系、在实验建设过程中其他实验环境的复杂变化情况、在实验地下基建工程中遇到的各种困难和技术挑战、如何达到实验的主要目标和测量精度，如何实现可能的其他物理目标、达到这些物理目标探测器设计的具体过程，如探测器的材料选择、形状和结构研究、光电倍增管的布局与实验目标的关系等问题；探测器安装中遇到的各种技术挑战、探测器运行中可能遇到的各种环境变化等问题、国际国内合作、实验的时间安排和进度、以及资金投入等等问题进行了详细的说明和阐述。尤其是对国产20英寸新型光电倍增管研制的崎岖过程进行了生动的讲述，因为我们研制成功使20英寸新型光电倍增管价格从一开始的9万元/个到3-4万/个，最后招标做到1.8万/个。

随后，参会老专家、老科协领导和兄弟单位老老专家针对主旨报告展开了热烈讨论。

朱永生研究员提出在这个工程中有许多的难点和技术挑战，以及较大的资金投入，而且又是国际合作项目，其他国家的科学家或者工程技术人员，在克服关键技术方面做出了什么样的贡献？王贻芳院士做了解答，在国际合作方面除了他们各自负责的部分以外他们是不会参与和负责的，工程中所有关键部分和关键技术都是中国人负责的，包括工程安装方案的确定，探测器安装中有机玻璃的清洗等技术问题，都是我们自己想办法解决的，其他人是帮不上忙的。

中国科学院高能物理所朱永生研究员发言

张闯、毛慧顺、盛华义研究员与王贻芳院士探讨了国际竞争问题和其他相关国际实验的进展情况，以及光电倍增管和大量的电子学都是泡在水里，在30年里的漏水和故障问题。 王贻芳回答说：目前国际上和我们有竞争力量的实验一共有五个，美国的DUNE对我们威胁最大的，如果一切顺利它一年有可能做到10个sigma。但是他现在不是特别顺利，他现在还有很多的问题。日本Huper-K应该是2027年出结果，它对mass hierachy灵敏度与我们一样。不过我们比他早三年，对我们没有威胁。另外一个是地中海下的ORCA实验，一个是南极冰下的（IceCube）实验，这些实验对我们没有竞争力。关于光电倍增管和电子学的故障问题，王贻芳仔细介绍了出现的各种几率和对实验的影响以及处理办法。

中国科学院老科协高能物理所分会理事长张闯研究员与高能所毛慧顺研究员参与讨论

张长春研究员关于超新星中微子的触发，太阳中微子与超新星中微子的区分、以及是否可以用质量大小差区分中微子等问题与王贻芳进行了讨论，王贻芳说：我们没有直接的在线触发系统，超新星爆发会在1秒之内中微子数量突然增加，然后通过离线分析由中微子数量来判定，如果根据数量估计它的质量大小，与距离有关，所以这两个事情搅在一起非常困难。我们可以区分中微子的不同味道（flavor）来区别一些超新星爆发的特性，同时根据它到达的时间，也是可以确定它的各种特性。

中国科学院高能物理所张长春研究员参与讨论

李金研究员与王贻芳讨论了地下水漏问题，以及该项目的科学目标和寿命问题，王贻芳说所谓地下水位在我们那个地方降了大约200米左右，但它现在仍然在我们头顶上40米。这个水基本上每小时400立方，这个在未来不会变。我们的空调能够维持到21度，所以对地下水引起的湿度变化没有问题。关于mass hierachy的寿命估计十年左右，如果做超新星或者它项目就可以永远运行下去。

毛泽普研究员与王贻芳探讨了液闪、有机玻璃老化对实验结果的影响问题、有机玻璃破裂问题、探测器运行期间环境变化等问题，王贻芳进行了详细回答，老化问题是有的，但现在的性能已经很好，即使液闪损失了一半的透明度，超新星仍然可以做。关于有机玻璃破裂问题、探测器环境变化等其他问题也经过了周密的考虑，应该没有问题。

中国科学院高能物理所毛泽普研究员发言

崔明启研究员与王贻芳探讨了探测器运行水温度控制以及与岩石温度的关系问题，王贻芳说地下岩石的温度是32度，我们要求水的温度是21度，要求运行条件是正负1度，5度是极端条件。我们空调的功率相当大，要把岩石进来的热和电子学的热带走，如果所有制冷系统都停止运行，可以保障两星期内没问题。

中国科学院高能物理所崔明启研究员参与讨论

姜焕清、张闯、蔡安生、崔明启、祝玉灿、吴石增研究员和王贻芳探讨了利用这个装置做其他工作的实验，如双Beta实验等，探测器选择液闪的优越性和利弊问题，以及探测器和电子学的刻度，校准等问题。

中国科学院高能物理所姜焕清研究员发言

中国科学院大学刘渝珍教授、中国科学院空天信息院蔡安生研究员、中国科学院电工所吴石增研究员发言

李惕碚院士、张闯、毛慧顺与王贻芳探讨了科技人才培养和中国科技领域怎样迈上更高台阶的科技战略问题，李院士回顾了高能所很多重要课题的发展和成功的历史过程，如中微子方面研究、天体物理、LHAASO高能宇宙线、慧眼项目等都做得很成功，发表了很多文章。但是在我们的科技领域里怎样培养和发挥年轻人聪明才智，做到后继有人应该是我们更高的期望。比如在慧眼项目中，一个年轻的小组他们没有那么多理论框框束缚，但是做出了很有特色的工作和很好的文章，真正做到了黑洞物理，而不是验证什么理论结论。我觉得不是要引进那些权威或者像我这样老科学工作者发表很多文章，而是可能有一些年轻人确实思想活跃，这样的人非常重要，可能在更基本的问题上找到一些突破口。王贻芳回应李院士的期望说，李院士说得很对，站得很高，我们要继续努力和思考怎样才能做到这么高的高度。让年轻人挑战这些所谓的基本科学问题，一方面要解决目前产出问题，又要想长远的事情。不过仅从中微子研究这个角度，我们所里无论是理论、还是实验规模还是可以的，年轻人在国际上还是有影响的，但怎么更进一步？我们还需要探讨。

中国科学院院士 李惕碚

院老科协孙建国理事长表示非常高兴了解和学习基础研究课题的问题，高能加速器和大科学装置等；对高能所所长王贻芳院士几次亲自在老科协沙龙会议作报告，体现了高能所领导十分重视老科技工作。对沙龙的组织，老科学家以自身经历和经验提出问题，与王所长的讨论和互动，以及李惕碚院士提出的更高的期待，体现了这个沙龙办得特别成功。为老科协工作和沙龙提出了要求和很好建议，希望更多学生参加，为年轻学生提供科研思想交流、科技创新的沙龙平台，把大型科研装置的科普工作做得更好。

中国科学院老科协理事长孙建国与副理事长赵震声

会议现场

（中国科学院老科协高能所分会供稿）